基于單片機和采集器實現(xiàn)地下水動態(tài)水位遠程測量系統(tǒng)的設(shè)計

地下水是水資源的重要組成部分，是戰(zhàn)略性資源的主要部分。在保障城鄉(xiāng)居民生活支持經(jīng)濟社會發(fā)展和維護生態(tài)平衡等方面具有十分重要的作用。地下水位觀測是一項基礎(chǔ)性的水利工作，在研究地下水和工程建設(shè)等方面具有重要作用。地下水位動態(tài)變化信息為地下水的開采工作、地方生態(tài)維護以及工程建設(shè)等方面提供了重要參考依據(jù)。鑒于地下水位滿足實時采集實時監(jiān)測的需要，本文給出了一種用于地下水動態(tài)水位監(jiān)測的遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

采集器的功能是將深井中的水位或水深信息收集起來，通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機系統(tǒng)。為了節(jié)省人力資源，采集器需要長時間免維護運行。采集系統(tǒng)要求架設(shè)維護方便、無需布線等，這就要求盡量減少施工環(huán)節(jié)，提高工作效率，降低成本。因此，提出了以下設(shè)計要求：

（1）通信可靠；

（2）低功耗，電池供電；

（3）架設(shè)成本低；

（4）易維護。

1.2 現(xiàn)狀分析

目前市場上出現(xiàn)的采集模塊靜態(tài)功耗較大，一般為200 mW～600 mW不等，制作下位機體積大，需外加蓄電池和太陽能板，容易被盜以及人為破壞；安裝復(fù)雜，在無電源地區(qū)使用時架設(shè)成本較高，不適用于條件較苛刻的專用場合；集成無線RTU體積也偏大，不能進階二次開發(fā)成專用產(chǎn)品，不能低壓供電也限制了在此系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.3 系統(tǒng)方案

GSM網(wǎng)絡(luò)通信方式具有高速、可靠、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，易于實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信。 SMS是移動運營商提供的短消息服務(wù)，它基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信。SMS支持GSM設(shè)備點對點和一點對多點的消息傳送，并可傳送一條短信和容納140 B的文本信息。在目標(biāo)設(shè)備未在線或故障等情況下，短消息會暫存在運營商的服務(wù)器中，該種方式可以得到較高可靠程度。上位機系統(tǒng)可以是個人移動設(shè)備也可以是支持SMS的專用監(jiān)測設(shè)備。

GPRS是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，資費低，但在網(wǎng)絡(luò)繁忙時數(shù)據(jù)丟包、掉線的情況時有發(fā)生。由于地下水變化相對緩慢，對系統(tǒng)的實時性要求不高，所以采用SMS方式進行無線數(shù)據(jù)通信足以滿足要求，對于本系統(tǒng)資費同樣低廉。

為了易于更換和維護采集器，采用通用的5號堿性電池供電。硬件上采用各功能模塊選擇性分離供電，軟件上采用定時采集、定時上傳的方式大大降低了功耗，確定了長時間電池供電的可行性，從而免去了布線和安裝太陽能電池的工序和成本。采集器與GSM通信模塊集成，縮小了體積，可內(nèi)置于被測井口處，以方便安裝和后期維護。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

采集器（下位機）由微處理器、電池組、電源管理、GPRS模塊、壓力傳感器、時鐘日歷、信號調(diào)理以及A/D轉(zhuǎn)換器組成，如圖1所示。

2.2 模塊設(shè)計

（1）主控制器：ATmega88V單片機作為采集器的微控制單元，內(nèi)置1 KB SRAM以及512 B的EEPROM存儲器，免去了外部存儲器，1.8 V～5.5 V寬泛的工作電壓。為了節(jié)省功耗，單片機工作在32.768 kHz 的系統(tǒng)時鐘頻率下。

（2）時鐘日歷模塊：MAX690芯片作為時鐘日歷模塊，由獨立的3 V電壓的紐扣電池供電，與CPU進行實時通信，CPU查詢時間確定采集器的工作狀態(tài)。

（3）壓力傳感器：采用國產(chǎn)的KY型壓力傳感器，集成電壓變送器，工作電壓為10.5 V～15 V，輸出信號為1 V～5V，量程為0 m～100m

（4）A/D轉(zhuǎn)換器： 使用的是AD7921，12位A/D轉(zhuǎn)換器，SPI串行接口，它由電壓基準芯片AD780提供2.5 V的供電電壓和參考電壓。

（5）信號調(diào)理：采用通用雙運放LM2904調(diào)理傳感器輸出信號和電池電壓信號送給A/D轉(zhuǎn)換器。LM2904的供電電壓由LT1613提供（12 V），對壓力變送器的1 V～5 V信號進行調(diào)理，首先前級為跟隨器，運放的輸出用一個電位器分壓得到0.5 V～2.5 V信號，第二路信號為電池電壓信號，同樣的將池組電壓VCC的可能的最大值（7 V）調(diào)整為小于A/D轉(zhuǎn)換的滿度值電壓（2.5 V）。兩路信號送給A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字量化。

（6）電源管理：4節(jié)5號電池串聯(lián)，取其中2節(jié)電池為單片機供電，用IRFU220與IRFU9530構(gòu)成2個推挽輸出由單片機的GPIO選擇性地為測量部分（包括壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路）和GSM模塊供電。在推挽輸出后用一個LT1086穩(wěn)壓后為GSM模塊提供3.6 V電源，由LT1613升壓型電路芯片為傳感器/變送器和模擬信號調(diào)理電路提供12 V電源。

（7）GSM模塊：采用Wavecom公司的GR64模塊，與單片機的接口為異步串行接口，編程時采用AT指令對模塊進行設(shè)置、會話以及打包數(shù)據(jù)和發(fā)送信息。

2.3 測量誤差分析

3 軟件設(shè)計

3.1 工作過程簡述

在設(shè)備開啟后，單片機會執(zhí)行各功能模塊的初始化程序，之后從時鐘日歷芯片中讀取當(dāng)前的日期和時間，之后判斷此時刻是否超過設(shè)定的測量時刻，如果超過測量時刻則進入測量狀態(tài)，此時單片機會開啟對測量電路的供電，延時等待傳感器穩(wěn)定后，會連續(xù)采集100次數(shù)據(jù)存入RAM中。采集后測量電路供電將關(guān)閉，經(jīng)過中值濾波法求得最終保留的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)保存到單片機片上的EEPROM中。當(dāng)程序判斷當(dāng)前時間超過了上傳的時刻，則會開啟GSM模塊，等待GSM模塊入網(wǎng)后先接收供電然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照AT指令打包，并以短信的形式發(fā)給目的設(shè)備。如果數(shù)據(jù)發(fā)送超時，單片機將會把滯留的數(shù)據(jù)包存放在單片機內(nèi)部的EEPROM中等待下一次上傳。最后關(guān)閉GSM模塊又回到循環(huán)時間的查詢狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集頻率為1日2次，在測量時刻到來時，CPU啟用升壓電路為壓力傳感器和信號調(diào)理電路供電，啟動A/D轉(zhuǎn)換器供電，采集壓力傳感器數(shù)據(jù)和電池電壓數(shù)據(jù)后，關(guān)閉供電電路，進行數(shù)據(jù)處理，測量結(jié)果保存在單片機內(nèi)部的EEPROM中。可通過命令修改數(shù)據(jù)上傳時間。為了節(jié)省數(shù)據(jù)總線上的功耗，時間讀取不是實時的，用定時器中斷服務(wù)程序進行讀取，每分鐘讀取1次。上傳的數(shù)據(jù)總是前一天測得的數(shù)據(jù)。

在程序運行的整個過程單片機內(nèi)部的看門狗計數(shù)器被一直啟用，用于監(jiān)視采集器的正常工作，如果死機或程序執(zhí)行混亂，看門狗定時器會使單片機復(fù)位。

3.2 程序流程圖

程序流程圖如圖2所示

3.3 協(xié)議設(shè)計

AT指令集是 ETSI （歐洲通信技術(shù)委員會 ） 發(fā)布的一種移動平臺與設(shè)備終端的通用接口指令 ， 其中包含對SMS的控制［7］。采集器向上位機系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括功能碼、日期時間和采集到的數(shù)據(jù)。每一字節(jié)數(shù)據(jù)為ASCII碼形式。協(xié)議包括2個部分：

（1）采集器上傳報文的格式（除去AT指令）：DT（數(shù)據(jù)說明）_上傳時間_測量日期_時間1_水深（單位：m）_時間2_水深（單位：m）#（結(jié)束），以一個數(shù)據(jù)示例的文本形式為：DT_2008/11/09/16:00_2008/11/08_02:00_23.40_14:00_23.10_16:00#。此數(shù)據(jù)的內(nèi)容是上傳時間為2008年11月9日16:00，2008年11月8日，2:00時水深23.40m14:00時，水深23.10m。

（2）上位機系統(tǒng)對采集器發(fā)送命令的報文的格式（除去AT指令） ：ST（設(shè)置說明）_設(shè)置日期及時間_時間1_水深（單位：m）_時間2_水深（單位：m）_上傳時間#（結(jié)束），以文本的形式表示則為：ST_2008/11/08/09:00_05:00_20:00_14:00#。此數(shù)據(jù)的內(nèi)容是時間設(shè)置為2008年11月8日9點，2次采集時間設(shè)置為5:00和20:00，上傳時間設(shè)為14:00。

在發(fā)送這條短信后采集器下一次發(fā)送短信的目的地址自動調(diào)整為該地址。

4 實際測試

4.1 數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y試中調(diào)整程序，使每隔半小時就上傳一次數(shù)據(jù)，中途隨機發(fā)送對采集器設(shè)置的信息，設(shè)置的上傳時間忽略不計，表1所列是接收450個短信息中的一部分。

表中，346和347號數(shù)據(jù)表明在2008/11/09/14:00時GSM模塊發(fā)生了入網(wǎng)超時，信息發(fā)送不成功，在14：30時原先發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)被重新成功發(fā)送。

在450個數(shù)據(jù)傳輸測試的過程中出現(xiàn)入網(wǎng)超時率為0.67%，數(shù)據(jù)丟失率為0。進行過50次設(shè)置，設(shè)置失敗率為8%，但是后期延長超時時間后，測試100次，設(shè)置失敗率降為2%。

4.2 能耗測試

（1）靜態(tài)等候：單片機工作在32.768 kHz時鐘下電流消耗小于20μA，測量電路和GPRS模塊處于斷電狀態(tài)，供電推挽輸出為低電平時MOS管的漏電流小于10μA，時鐘日歷芯片獨立供電基本可以連續(xù)工作8年以上，將不計入功耗分析。每天24h運行，一天的能耗共計720 μAh。

（2）測量： LT1613消耗1 mA的自身工作電流，傳感器工作時消耗的電流為10 mA（12V），實測5 V供電時從電池組吸取25 mA的電流，電壓基準源消耗1 mA，A/D轉(zhuǎn)換器工作時消耗3 mA。測量的整個過程小于300 ms，每次測量共計消耗2.4 μAh的電能。

（3）數(shù)據(jù)上傳：GSM模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時電流為500 mA，接收數(shù)據(jù)時為20 mA，靜態(tài)時為2.5 mA， GSM模塊獨立測試過程中，一次數(shù)據(jù)上傳過程小于20 s，大約需要消耗200 μAh的電能。

綜上所述，一天測量2次上傳1次的工作過程共消耗0.925 mAh的電能。如果用電量為800 mAh的堿性電池可連續(xù)工作800天以上。但是由于電池保質(zhì)期和電池本身的自放電，再加上電量低水平時的內(nèi)阻，可以保證至少一年正常工作。

此采集終端靜全天正常工作的耗電量為0.925 μAh，采用4節(jié)AA型堿性電池可維持一年以上連續(xù)正常工作，測量誤差小于0.16%，與上位機系統(tǒng)通信協(xié)議接口簡單、可靠性高。能夠較好地滿足地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的下位機系統(tǒng)的需要。